De la câmp magnetic la rotație: un articol pentru a înțelege de ce se rotesc motoarele DC

În articolul precedent, am avut deja o înțelegere preliminară aCe este un motor DC, din ce părți constă structura sa de bază și o gamă largă de aplicații în viață și industrie. În acest articol, vom explica mai mult „de ce se poate roti un motor DC și care este principiul său de lucru".

 

Știm deja că rotația unui motor DC necesită curent electric, un câmp magnetic și o structură complexă a bobinei, dar cum reacționează electricitatea, magnetismul și bobinele între ele și ce legi fizice permit unei componente aparent staționare să înceapă să se rotească continuu?

 

Vom explica aceste probleme una câte una în următorul conținut, așa că haideți să începem.

 

 

Pentru a înțelege cu adevărat de ce se pot roti motoarele DC, trebuie să cunoaștem o lege foarte de bază a fizicii -Legea Ampere.

 

Principiile de bază ale motoarelor electrice: Legea forței Ampere (f=bil)

Există o lege în fizică care spune:

Când curentul trece printr -un fir și se află într -un câmp magnetic, acesta va fi acționat de un câmp magnetic.

 

Mărimea acestei forțe este determinată de următoarea formulă:

F=B × I × L × Sinθ

F: forță

B: Puterea câmpului magnetic

I: Intensitatea curentului

L: Lungimea sârmei

θ: unghiul dintre direcția curentului și direcția câmpului magnetic

Această forță este ceea ce numim adesea „forța ampere".

 

Nu este misterios, la fel ca atunci când puneți un magnet aproape de o bobină conductivă, veți simți o forță „împingere" sau „tragerea", care este interacțiunea dintre curentul electric și câmpul magnetic.

 

În termeni simpli: curentul trece printr -un câmp magnetic → forța se aplică pe fir → sârmă se mișcă

 

Aceasta este baza pentru ca motorul să se miște.

 

Cum transformă un motor DC această forță în „rotație continuă"?

Mai devreme am spus că un fir este supus forței. Dar în motor, nu este un fir, ci un grup de înfășurări de bobină - le numim bobine de armătură, care sunt instalate pe un rotor care se poate roti liber.

 

Curentul curge de la sursa de alimentare în bobină, bobina generează forță, iar rotorul începe să se rotească. Iată o întrebare:

Dacă forța este aplicată o singură dată, rotorul se va roti doar o singură dată și apoi se va opri și nu se poate roti continuu?

 

Da, deci există o structură foarte importantă proiectată în interiorul motorului DC - comutatorul.

 

Funcția acestei componente mici este de a comuta automat direcția curentului în bobină în timpul rotației armăturii. Avantajul acestui lucru este că, deși curentul schimbă direcția, „direcția forței" în câmpul magnetic rămâne consistent, permițând rotorului să continue să se rotească.

 

Vă puteți gândi la comutator ca la un comutator care „se scurge constant" în timpul rotației. Funcționează cu periile pentru a menține întotdeauna curentul „curge în direcția corectă" pentru a menține o rotație stabilă.

 

 

Motivul pentru care motorul DC se poate „mișca" în mod stabil nu se datorează numai câmpului curent și magnetic, ci și din cauza lucrărilor coordonate a unei serii de componente de precizie din interiorul său, inclusiv „bobina de armătură", „comutator" și „perie". Pentru o înțelegere mai simplă, explicația de aici se va baza pe motorul DC periat.

 

1. Bobină de armătură: „Pista" curentului

Într -un motor DC, bobina de armătură (numită și înfășurarea rotorului) este purtătorul direct al forței ampere. Când curentul intră în motor dintr -o sursă de alimentare externă, prin aceste bobine distribuite în sloturi, forța este aplicată în câmpul magnetic. Deoarece bobinele sunt distribuite simetric pe rotor, aceste forțe vor coopera între ele pentru a forma un cuplu de rotație stabil și echilibrat (cuplu).

 

Poate fi înțeles după cum urmează:

Fiecare secțiune de sârmă este ca o „pistă" în care se desfășoară curentul, iar câmpul magnetic acționează ca un arbitru pentru a exercita „forța motrice". Când mai multe bobine sunt combinate împreună, acestea sunt ca o echipă, care rulează în cercuri ritmic și, în cele din urmă, generând un cuplu continuu.

 

În plus, cu atât mai multe bobine de armătură există, cu atât motorul este mai ușor și cu atât fluctuația cuplului de ieșire este mai mică.

 

2. Comutator și perii: Magicianul care inversează actualul

Nu este suficient să curgă curentul prin bobină - pentru a menține armația sub forță constantă în aceeași direcție, direcția curentului trebuie inversată la fiecare jumătate de viraj, care este sarcina comutatorului.

 

Comutatorul este o structură a plăcilor de cupru fixate pe arbore care păstrează contactul cu periile de pe stator. Pe măsură ce rotorul se rotește, periile alunecă pe diferite plăci de cupru, ceea ce face ca curentul să se „inversreze automat". Acesta este motivul pentru care forța de pe sârmă rămâne în aceeași direcție chiar și după ce bobina s -a întors o jumătate de viraj.

 

Cu alte cuvinte, comutatorul este ca un sistem care ajustează automat semafoarele pentru a se asigura că curentul „curge fără probleme" și menține ritmul de rotație.

 

Atunci de ce perii și comutatorii sunt adesea cele mai rapide piese purtate?

Deoarece sunt într-o stare de contact continuu și frecare, sunt predispuși la scânteie și încălzire la viteze mari și curenți mari, iar durata lor de viață este limitată în funcție de funcționare pe termen lung. Prin urmare, în motoarele de înaltă performanță (cum ar fi motoarele DC fără perii), oamenii folosesc comutație electronică pentru a înlocui această parte a structurii.

 

 

Un motor DC nu se referă doar la „rotire", ci poate „întoarce rapid", „rotiți violent" și chiar să mențină o ieșire stabilă sub diferite sarcini. Deci, cum se controlează viteza (RPM) și cuplul (cuplul) motorului? Îl putem înțelege din următoarele aspecte:

 

1. Relația dintre tensiune, curent, viteză și cuplu

Caracteristicile de ieșire ale unui motor DC sunt strâns legate de tensiunea de intrare și de curent:

 

Tensiunea determină viteza

Sub premisa că sarcina rămâne neschimbată, viteza motorului DC este aproximativ proporțională cu tensiunea.

· Reducerea tensiunii → Reducerea vitezei

· Tensiunea crește → viteza crește

 

Curentul afectează cuplul

Cu cât curentul este mai mare, cu atât forța ampere este generată prin bobină și cu atât este mai mare cuplul de ieșire.

· Mai mult curent → mai mult cuplu (dar și mai predispus la supraîncălzire)

 

Acesta este motivul pentru care vehiculele electrice necesită mai mult curent atunci când se accelerează, în timp ce curentul scade la croaziera cu o viteză constantă.

 

2. Cum motorul „se autoreglează" sub modificări de sarcină?

Când sarcina condusă de motor devine mai grea (ca două persoane care stau pe o bicicletă electrică), mișcarea rotorului va întâmpina o rezistență mai mare, iar viteza va scădea în mod natural. În acest moment, forța electromotivă din spate a bobinei de armătură va scădea, ceea ce face ca mai mult să curgă curent în motor, ceea ce va crește automat cuplul de ieșire, va rezista sarcinii și va menține rotația.

 

Acest mecanism „adaptiv" este unul dintre motivele pentru care motoarele DC sunt foarte practice.

 

3. Controlul PWM: o variație a controlului tensiunii

În controlul curent al motorului, tensiunea de alimentare nu este reglată direct. În schimb, o metodă numită PWM (modularea lățimii pulsului) este utilizată pentru a simula efectul „tensiune variabilă".

 

În termeni simpli:

Controlerul pornește rapid și oprit rapid, permițând motorului să funcționeze într-un ciclu de comutare „on-off-on-off" de înaltă frecvență.

Prin ajustarea raportului de timp „on" (ciclul de serviciu), pot fi simulate diferite tensiuni medii.

 

De exemplu:

50% ciclu de taxă ≈ jumătate de tensiune alimentări → viteza este de aproximativ jumătate din viteză maximă

90% ciclu de serviciu ≈ alimentare de înaltă tensiune → viteză aproape de viteză maximă

 

PWM nu numai că are un control precis, dar reduce și pierderea de energie. Este mijlocul principal al sistemelor moderne de control al motorului DC.

 

 

În conținutul anterior, am folosit ca exemplu motorul DC cu magnet permanent periat pentru a explica principiul de lucru, dar, de fapt, „motorul DC" nu este o singură structură. Poate varia în forme de proiectare bazate pe metode de comutare, surse de câmp magnetic etc.

 

Deci, aceste tipuri diferite de motoare DC funcționează în același mod? Care sunt diferențele cheie? Să aruncăm o privire.

 

1. Periat vs.

Motor DC periat

Metoda de comutare: se bazează pe comutator mecanic + perie pentru a completa inversarea direcției curente.

Caracteristici: structură simplă, ușor de controlat, preț scăzut, dar periile sunt ușor de purtat și necesită întreținere regulată.

 

Motor DC fără perie (BLDC)

Metoda de comutare: comutație electronică, prin senzorul de poziție și controler pentru a determina poziția rotorului și a schimba bobina energizată.

Caracteristici: eficiență ridicată, viață lungă, zgomot redus, potrivit pentru scenarii care necesită performanțe ridicate (cum ar fi drone, unelte electrice, vehicule electrice etc.).

 

Rezumatul diferențelor de bază:

proiect	Motor periat	Motor fără perie
Metoda de comutare	Commutator mecanic	Control electronic
Frecvența de întreținere	ridicat	Scăzut
Viața de serviciu	Relativ scurt	Mai lung
cost	Scăzut	Superior
Dificultate de control	Scăzut	Mediu până la înalt

 

2. Magnet permanent vs excitație: diferite surse de câmp magnetic

Motor DC cu magnet permanent (motor PMDC)

· Sursa câmpului magnetic: se folosesc magneți permanenți, cu câmp magnetic stabil și structură compactă.

Avantaje: dimensiuni mici, eficiență ridicată, utilizată în mod obișnuit în micro -motoare, dispozitive portabile, vehicule electrice etc.

Dezavantaje: magnetul are o rezistență la căldură limitată și rezistența câmpului magnetic nu poate fi reglată.

 

Motor DC emoționat

· Sursa câmpului magnetic: Câmpul magnetic este generat de bobina de excitație, care poate fi excitație în serie, excitație paralelă, excitație compusă și alte structuri.

Avantaje: Câmpul magnetic este reglabil, potrivit pentru aplicațiile care necesită un cuplu de pornire mare sau o viteză variabilă, cum ar fi echipamentele de ridicare industriale, ascensoarele etc.

Dezavantaje: o structură mai complexă, un volum mai mare, un consum de energie ușor mai mare.

 

Comparație diferențelor de câmp magnetic:

proiect	Motor cu magnet permanent	Motor de excitație
Sursa câmpului magnetic	Magneți permanenți	Bobină de excitație
Reglarea câmpului magnetic	Nu reglabil	Reglabil
cost	Relativ scăzut	Ușor mai mare
Scenariu de aplicație	Mic și portabil	Industrial, greu

 

Prin comparație, se poate observa că, deși diferite tipuri de motoare cu curent continuu diferă în ceea ce privește mecanismele de comutare și sursele de câmp magnetic, principiile lor de bază sunt aceleași: folosind forța exercitată pe conductorul de transport curent în câmpul magnetic pentru a forma cuplu, conducând astfel rotirea.

 

 

În acest moment, cred că aveți o înțelegere completă aCe este un motor DCși întregul proces de ce se poate roti un motor DC. De la principiul fizic (Legea lui Ampere), până la munca coordonată a componentelor cheie (Armature Bob, comutator, Brush), la diferențele de mecanisme de lucru ale diferitelor tipuri de motoare (perie\/perie, magnet\/excitație permanentă), se poate spune că motoarele DC sunt o tehnologie care „aparent simplă, dar conține un design sofisticat".

 

 

Dacă sunteți în căutarea unui motor DC eficient și fiabil pentru proiectul dvs., de ce nu ne contactați - producătorul de motoare DC VSD.

Ne concentrăm pe proiectarea și personalizarea diverselor motoare DC, acoperirea periei, fără perii, magnetului permanent, uneltele, controlul electronic și alte serii, care sunt utilizate pe scară largă în aparate de casă inteligente, roboți, echipamente de automatizare, precizie medicală și alte domenii.

 

Avantajele noastre:

Sprijină dezvoltarea personalizată și producția de încercări mici de lot

Deținerea tehnologiei independente de brevet și certificare strictă de calitate

A servit clienții din multe țări din întreaga lume

 

Simțiți -vă liber să ne contactați pentru manuale de produse sau sfaturi tehnice. Vă va face mai eficient selecția motorului și proiectul dvs.!